Способ составления солнечного модуля из фотоэлектрических преобразователей Российский патент 2023 года по МПК H02S50/10 

Изобретение относится к фотоэнергетике, а именно к солнечным модулям, которые используются на фотоэлектрических станциях и составлены из фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе фотовольтаических p-n переходов из кремниевых полупроводников.

Существующие способы составления солнечных модулей из последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей включают отбор фотоэлектрических преобразователей одного класса. Промышленно выпускаемые ФЭП имеют некоторый разброс параметров, который обусловлен не только качеством примеряемых полупроводниковых материалов, но и технологией производства и сборки солнечных модулей. Предоставляемые производителями характеристики и параметры солнечных модулей и элементов носят усреднённый характер и не отражают в полной мере эффективность работы солнечного модуля или элемента при различных неблагоприятных внешних условиях, например, таких как неравномерная освещенность поверхности модуля из-за наличия частичного затенения. Экспериментальное снятие вольт-амперных характеристик (ВАХ) в качестве входного контроля поставляемых солнечных преобразователей позволяет получить энергетические параметры ФЭП при различных режимах его работы. Эффективность работы таких преобразователей зависит от множества факторов, среди которых существенное влияние оказывают внешние факторы, такие как энергетическая освещенность и температура, а также от эксплуатационных параметров самих ФЭП. Производители ФЭП приводят в паспорте параметры и характеристики при стандартных тестовых условиях (STC): энергетическая освещенность 1000 Вт/м², спектр AM1,5, температура ФЭП 25°C. В лабораторных условиях снятие ВАХ при стандартных тестовых условиях выполняется при кратковременном освещении светоприемной поверхности ФЭП источником искусственного света со спектром АМ1,5. В зависимости от угла падения солнечных лучей на приемную площадку, расположенную на поверхности земли, солнечные лучи преодолевают различную толщину воздушной массы атмосферы. Поэтому спектр излучения приходящийся на приемную площадку будет отличаться из-за различной степени поглощения определенных длин волн атмосферой, связанной с толщиной воздушного слоя атмосферы. Приняты такие обозначения: спектр AM0 определяет работе солнечных модулей на спутниках и космических кораблях, спектр АМ1 соответствует распределению интенсивности солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце стоит в зените, спектр АМ2 показывает спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, при угле между Солнцем и зенитом 60°, спектр АМ1,5 соответствует средней интенсивности излучения прошедшего через воздушную массу, равную 1,5, что соответствует положению Солнца под углом 45° к горизонту.

После изготовления ФЭП выполняется автоматическая сортировка и разбивка по классам в зависимости от эффективности и качества изготовления. Такая подборка однотипных ФЭП требуется при сборке солнечных модулей, чтобы параметры ФЭП, входящих в состав модулей были максимально близки друг к другу. Традиционными эксплуатационными параметрами для отбора ФЭП при классификации являются: эффективность (КПД), мощность в точке максимальной мощности, температурный коэффициент, коэффициент заполнения, напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, ток и напряжение в точке максимальной мощности (ТММ), которые определяются по прямой ветви ВАХ ФЭП. ТММ это точка на вольт-амперной характеристике, в которой мощность, производимая ФЭП максимальна при определенном уровне освещенности. Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД ФЭП при стандартных тестовых условиях. Изменение уровня освещенности приводит к смещению ТММ, поэтому используются различные алгоритмы отслеживания точки максимальной мощности, чтобы при любых условиях получать максимально возможную мощность на выходе ФЭП. Мощность солнечного модуля напрямую зависит от качества и параметров каждого ФЭП, из которых он состоит. Выходная мощность модуля всегда оказывается меньше, чем арифметическая сумма мощностей ФЭП, из которых составлен сам модуль. Это объясняется потерями из-за рассогласования характеристик однотипных ФЭП. Существующие технологии предполагают критерии отбора по классам эффективности с отклонением от среднего не более 1%, отклонение по мощности в точке максимальной мощности не более 2%, отклонение от среднего остальных параметров не превышает 0,5%. При изготовлении солнечных модулей используется набор однотипных ФЭП, чтобы обеспечить наименьший разброс приведенных выше параметров и уменьшить потери несоответствия, так как эффективность последовательного соединения ФЭП определяется эффективностью ФЭП с самыми низкими параметрами.

Так, известент способ (по патенту JP2016192827, выбран в качестве прототипа) составления солнечного модуля из фотоэлектрических преобразователей, включающий построение прямой ветви вольт-амперной характеристики солнечного элемента для определения напряжения холостого хода, тока короткого замыкания, коэффициента заполнения.

При последовательном соединении ФЭП в условиях неоднородного освещения их поверхности некоторые наименее освещенные ФЭП перестают работать как источники энергии и становятся «паразитными» нагрузками. Основная масса ФЭП продолжают генерировать энергию и пропускать ток через менее освещенные ФЭП, вызывая высокие потери энергии в виде рассеивания тепла, что может привести к образованию локальных точек перегрева и термическому повреждению ФЭП. Чтобы избежать этой проблемы параллельно каждому ФЭП или группе ФЭП подключают байпасные диоды, которые шунтируют ток последовательной цепи, исключая из работы затененные группы ФЭП. Но даже такого способа бывает недостаточно при высоких обратных пороговых напряжений пробоя ФЭП.

Остается актуальной задача отбора ФЭП для составления солнечного модуля, со сниженной вероятностью повреждения фотоэлектрических преобразователей, перешедших в режим паразитной нагрузки, например, из-за неоднородного освещения поверхности, при механических повреждениях, при последовательном их соединении в составе солнечных модулей. Техническим результатом предложенного изобретения является повышение надежности солнечного модуля. Кроме того, достигается повышение КПД солнечного модуля, составленного из последовательно соединенных ФЭП.

Технический результат достигается в способе составления солнечного модуля из фотоэлектрических преобразователей, включающем: отбор фотоэлектрических преобразователей, имеющих КПД с отклонением от среднего не более 1% и мощности, в точке максимальной мощности, с отклонением от среднего не более 2%; построение обратной ветви вольт-амперных характеристик при освещенной поверхности фотоэлектрического преобразователя; отбор фотоэлектрических преобразователей пороговое напряжение пробоя обратной ветви вольт-амперных характеристик которых ниже верхнего порога, определяемого максимальной пороговой мощностью; составление солнечного модуля из отобранных указанным образом, последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей.

Изобретение поясняется рисунками:

фиг. 1 - смещение рабочей точки затенённого ФЭП;

фиг. 2 - зависимость тепловой мощности, выделяемой ФЭП от приложенного обратного напряжения.

Способ составления солнечного модуля из ФЭП на первом этапе включает отбор фотоэлектрических преобразователей, имеющих КПД с отклонением от среднего не более 1% и мощности, в точке максимальной мощности (ТММ), с отклонением от среднего не более 2%. Таким образом, обеспечивается малый разброс этих параметров, что уменьшает потери несоответствия, так как эффективность последовательного соединения ФЭП определяется эффективностью (КПД) ФЭП с самыми низкими параметрами. При последовательном соединении ФЭП в условиях неоднородного освещения их поверхности некоторые наименее освещенные ФЭП перестают работать как источники энергии и становятся «паразитными» нагрузками. Основная масса ФЭП продолжают генерировать энергию и пропускать ток через менее освещенные ФЭП, вызывая высокие потери энергии в виде рассеивания тепла, что может привести к образованию локальных точек перегрева и термическому повреждению ФЭП.

Далее, производят построение обратной ветви вольт-амперных характеристик при освещенной поверхности фотоэлектрического преобразователя. Для этого, при стандартных тестовых условиях (STC) (энергетическая освещенность 1000 Вт/м², спектр AM1,5, температура ФЭП 25°C), производят снятие ВАХ при кратковременном освещении светоприемной поверхности ФЭП источником искусственного света со спектром АМ1,5.

Затем, отбирают ФЭП у которых пороговое напряжение пробоя обратной ветви вольт-амперных характеристик которых ниже верхнего порога, определяемого максимальной пороговой мощностью. Этот порог определяет величину порогового напряжения пробоя, получаемого по обратной ветви ВАХ. В зависимости от технологии изготовления и уровня легирования кремниевых фотоэлектрических преобразователей значение порогового напряжения пробоя обычно не превосходит -25В, характерное значение составляет около -15В. При сокращении порогового напряжения пробоя вдвое потери выделяемой мощности в виде тепла в случае работы фотоэлектрических преобразователей в составе электростанции при сниженной освещенности также сокращаются вдвое, что значительно снижает риск образования локальных точек перегрева (“hot spot” эффект) и последующего повреждения фотоэлектрических преобразователей при работе в высоковольтных системах до 1000 В.

Тепловой пробой p-n перехода ФЭП, или в частности образование локальных точек перегрева, происходит из-за неоднородности структуры p-n перехода, наличия локальных дефектов кристаллической решетки. Данный тип пробоя обусловлен разогревом обратно включенного ФЭП при протекании через него тока. Такая ситуация может возникнуть при последовательном соединении ФЭП, когда их поверхность будет освещена неравномерно вследствие различной степени концентрации света или наличия тени (фиг. 1). В таком случае часть ФЭП будет работать в режиме диода с прямым смещением (режим фотогенерации), а часть с обратным (режим потребления).

Мощность, выделяемая ФЭП, определяется соотношением: P_выд = I_строки⋅U_пр.

Отводимая от ФЭП мощность, рассеиваемая в виде тепла в окружающую среду, определяется температурой внешней среды и теплопроводностью сред, через которые отводится тепло. Если количество тепла, выделяемого ФЭП, превышает количество тепла, отводимого от ФЭП, то температура ФЭП начинает расти, что может привести к тепловому пробою ФЭП.

По этой причине необходимо отбирать ФЭП с такими значениями порогового напряжения пробоя, при которых максимальная выделяемая пороговая мощность P_max не должна приводить к возникновению локальных точек перегрева, с температурой, приводящей к тепловому разрушению p-n перехода кремниевого ФЭП, что на вольт-ваттной характеристике (фиг. 2) соответствует линейному участку до точки перегиба при U_пр.

Из отобранных таким образом ФЭП составляются солнечные модули, путем последовательного соединения ФЭП при помощи токопроводящих шин и укладывания их в остекленную раму из алюминиевого профиля с последующим ламинированием ФЭП и герметизацией солнечного модуля.

Составленные таким образом солнечные модули могут быть использованы как источники энергии для солнечной фотоэлектрической электростанции. Повышается эффективность (КПД) и надежность работы такой электростанции за счет снижения частоты замены выходящих из строя солнечных модулей по причине образования локальных точек перегрева.

Изобретение относится к фотоэнергетике. Техническим результатом является повышение надежности солнечного модуля. Такой результат достигается за счет составления солнечного модуля из фотоэлектрических преобразователей, включающего: отбор фотоэлектрических преобразователей, имеющих КПД с отклонением от среднего не более 1% и мощности в точке максимальной мощности, с отклонением от среднего не более 2%; построение обратной ветви вольт-амперных характеристик при освещенной поверхности фотоэлектрического преобразователя; отбор фотоэлектрических преобразователей, пороговое напряжение пробоя обратной ветви вольт-амперных характеристик которых ниже верхнего порога, определяемого максимальной пороговой мощностью; составление солнечного модуля из отобранных указанным образом, последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей. 2 ил.

Способ составления солнечного модуля из фотоэлектрических преобразователей, включающий: отбор фотоэлектрических преобразователей, имеющих КПД с отклонением от среднего не более 1% и мощности в точке максимальной мощности, с отклонением от среднего не более 2%; построение обратной ветви вольт-амперных характеристик при освещенной поверхности фотоэлектрического преобразователя; отбор фотоэлектрических преобразователей, пороговое напряжение пробоя обратной ветви вольт-амперных характеристик которых ниже верхнего порога, определяемого максимальной пороговой мощностью; составление солнечного модуля из последовательно соединенных отобранных фотоэлектрических преобразователей.